峰值电流模式控制总结

1、峰值电流模式控制总结峰值电流模式控制总结PWM （Peak Current-mode Control PWM） 峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在 60 年代后期来源于具有原边电流 保护功能的单端自激式反激开关电源。在 70 年代后期才从学术上作深入地建模研究 。直 至80年代初期，第一批电流模式控制 PWM!成电路（UC3842 UC3846的出现使得电流 模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时所必需的同 步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的 电压模式控制的挑战。如图 1所示，误差电压信号 Ue送至PWM匕较器

2、后，并不是象电压 模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输 出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号US比较，然后得到PW咏冲关断时刻。因此（峰值）电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWh脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWR脉冲宽度。图1采用斜坡补偿的BUCK电流型控制1.峰值电流模式控制 PWM勺优点： 暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；峰值电 流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐 个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压

3、外环控制此功率级电流源。在 该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。由于这些，峰值电流模式控制PWh具有比起电压模式控制大得多的带宽。 虽然电源的LC滤波电路为二阶电路，但增加了电流内环控制后，只有当误差电 压发生变化时，才会导致电感电流发生变化。即误差电压决定电感电流上升的程度，进而 决定功率开关的占空比。因此，可看作是一个电流源，电感电流与负载电流之间有了一定 的约束关系，使电感电流不再是独立变量，整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号 电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得 以提高并且改

4、善了频响，具有更大的增益带宽乘积。在小信号分析时，这种电路可以忽略 电感的存在。因此，在整流器的输出端，增益和相移是由并联的输出电容和负载电阻确定 的。这样，电路最多只有 900 相移和 20 分贝 / 十倍频而非 40 分贝 / 十倍频的增益衰减。 输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美； 简单自动的磁通平衡功能； 瞬时峰值电流限流功能 ，即内在固有的逐个脉冲限流功能； 自动均流并联功能2 峰值电流型控制存在的问题下面主要讨论峰值电流型控制存在的问题及利用斜坡补偿克服所存在问题的方法，并 给出斜坡补偿的实施方案。2.1 开环不稳定性在不考虑外环电压环的情况下，当恒频电流型变换

5、器的占空比大于50时，就存在内环电流环工作不稳定的问题。然而有些变换器(如双管正激变换器)它本身工作的脉冲占 空比就不能大于 50，因此不存在问题。而有些变换器的脉冲占空比不大于50时，它的输入将会受到许多限制，如果在内环加一个斜坡补偿信号，则变换器可以在任何脉冲占 空比情况下正常工作。下面介绍斜坡补偿工作原理。图2表示了由误差电压 Ve控制的电流型变换器的波形，通过一个拢动电流【加至电感电流 IL ，当占空比但当占空比>0.5时，这个拢动将随时间增加而增加，如图2(b)所示。这可用数学表达式表示：A 11= - A IO(m2/m1)(1)进一步可引入斜率为 m的斜坡信号，如图2 (c

6、)所示。这个斜坡电压既可加至电流波 形上，也可以从误差电压中减去。图 2 电流型变换器的开环不稳定性(a) D0.5 (c)D>0.5 并加斜坡补偿图3 局部放大图由几何关系可知?i0=ac+ce=-ab ?m+ab?m1?i1=bf-bd=-ab ?m2+ab?m式中:m为补偿信号上升斜率；m1为电感检测电流上升率；m2为电感检测电流下降率。所以，经过一个开关周期 后 ， 输 出 电 感 中 电 流 的 变 化A I1= AI0( m-m2) /(m1-m)( 2)要系统稳定，偏移电流量必须趋近于零，即lim= ?in=O n故系统稳定的充要条件是m-m2因为在稳定条件下D-m1=-(

7、1 - D)m2， 消 去 m1， 整 理 后 ， 峰值电流控制系统稳定充要条件为m2D-1> (3) m22D由 式 ( 3) 可 知 ， 当 没 有 斜 率 补 偿 时 ， 即 m=0， 必 须 要 求 占 空比D 0.5 时 系 统 将 不 稳 定 ；在 100占空比下求解这个方程( 3)有：m>( - 1/2)/m2 (4)为了保证电流环路稳定工作，应使斜坡补偿信号的斜率大于电流波形下降斜率m2的1/2。对图1所示的Buck型变换器，m2等于(VO/L)RS。所以补偿波形的幅度 A应按下式计 算：A>T*RS(VO/L) (5)从而保证变换器的占空比大于 50时变换器

8、能稳定工作。在 控 制 工 程 实 际 中 ， 补偿斜率m 般取为m=(0.70.8)m2 ,这样既保证了系统符合稳定 条 件 ， 又 保 证 了 系 统 动 态 指 标 。减小峰值电感电流与平均电流的误差电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关 断的控制方法。因为峰值电流 (流过功率开关或电感上 )在实际电路中容易进行采样，而且 在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，电感电流与输出平均电流之间存在一定 的误差，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流，如图4所示。而平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素

9、。与消除次谐波振荡的方法类似，利用斜 波补偿可以去除不同占空比对平均电感电流大小的影响，使得所控制的峰值电感电流最后 收敛于平均电感电流，如图 5所示。 在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少 一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的 扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号US要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加 到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用 振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电 流

10、前馈信号，见图 1 所示。当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电 压模式控制。当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电 流模式控制就实际上变为电压模式控制了。图 4 不同占空比时，相同峰值电感电流对应的平均电感电流图 5 利用斜波补偿消除不同占空比对平均电感电流的影响2.2 次谐波振荡对电流型控制而言 , 内环电流环峰值增益是个很重要的问题，这个峰值增益在开环频 率一半的地方，由于调制器的相移可能在电压反馈环开关频率一半的地方产生振荡, 这种不稳定性叫做次谐波振荡。2.3 峰值电流检测与平均电流检测在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压 , 这

11、个平均电感电流可用一个电 流源来代替 ,并可以降低系统的一个阶次。然而如图 3 所示,峰值电流检测方法常使电感的平均电流随占空比而变，致使输入一输出( 正向特性 ) 不理想。如选用图 4 所示 m=(1/2)m2 的斜坡补偿率，可以把峰值电流检测转变为平均电流检测，而得到很好的电流 型控制效果。但需注意 m= (1/2)m2 ，占空比接近 1 时的次谐波振荡现象。2.4 小纹波电流从性能的角度总希望纹波电流要小，首先它可以使输出滤波电容的容量减小，并在轻 载时的电流连续工作模式下输出纹波小。虽然对电流检测电路的小斜坡补偿量，在许多情 况下可以得到小的纹波电流，但将由于随机和同步噪声信号的引入而

12、致使脉冲宽度摆动。 并且斜坡补偿加到电流波形上将会产生一个更稳定的开关点，为达到这个目的，相对于电 感电流这个补偿量 m应大于m2并且这对次谐波稳定是有必要的。但任何斜坡补偿大于 m=(1/2)m2 将使变换器的特性偏离理想电流型变换器而更像一个电压型变换器。2.5 电流型控制不大适合于半桥型开关电源。这是因为在半桥式电路中，通过桥臂2只电容的放电维持变压器初级绕组的伏秒平衡；当电流型控制通过改变占空比而纠正伏秒不平衡时，会导致这2 只电容放电不平衡，使电容分压偏离中心点，然而电流型控制在此情况下试图进一步改变占空比，使电容分压 更加偏离中心点，形成恶性循环。3 电流型控制的斜波补偿实例3.1

13、 3842 补偿实例美国UNITROD公司生产的电流型 PWM控制芯片UC1842/43,具有外电路简单，成本较 低等优点。关于它的电性能与典型应用这里不再赘述，只简单介绍一下进行斜波补偿的方 法。图6说明了 UC1842/43的2种斜波补偿方法：第一种如图6（a）所示，从斜波端（即脚 4振荡器输出端）接一个电阻 R1至误差放 大器反相输入端（脚 2），于是误差放大器输出呈斜波状，再与采样电流比较。第二种方 法如图6（b）所示，它从斜波端（脚 4）接一电阻R2至电流采样比较器正端（脚 3），这时 将在 Rs 上的感应电压上增加斜波的斜率，再与平滑的误差电压进行比较。用这2 种方法，均能有效地改善电源的噪声特性。（a） 斜波补偿加至 2 端 （b） 斜波补偿加至 3 端图6利用UC1824/43的2种斜波补偿方法3.2 UC1846 的斜坡补偿UC1846是一种采用斜坡补偿的电流型集成控制芯片，它具有恒频PWM!流型控制所需的控制电路和相关电路。图 7（a）和图7 （b）表示采用UC1846实施斜坡补偿的两种电路 原理图。在第 4脚的电流检测信号和斜坡补偿信号直接相加很容易实现，但这又在电流检 测电路